前途可期的電阻記憶體

■ 文/楊玉璽 袁國(guó)亮 劉俊明

海量信息的存儲(chǔ)，單純地依靠現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)顯得有些力不從心。電阻記憶體或許是目前最具有研究前景的第三代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件之一。

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，近年來(lái)，海量數(shù)據(jù)成為最具價(jià)值的財(cái)富。在信息傳播極其迅速的今天，各種數(shù)據(jù)滲透著我們的生活。它們以指數(shù)級(jí)的速度增長(zhǎng)，形成數(shù)據(jù)爆炸，將我們帶入大數(shù)據(jù)時(shí)代。最早提出“大數(shù)據(jù)”時(shí)代到來(lái)的，是全球知名咨詢公司麥肯錫(McKinsey & Company)。麥肯錫稱：“數(shù)據(jù)，已經(jīng)滲透到當(dāng)今每一個(gè)行業(yè)和業(yè)務(wù)職能領(lǐng)域，成為重要的生產(chǎn)因素。人們對(duì)海量數(shù)據(jù)的挖掘和運(yùn)用，預(yù)示著新一波生產(chǎn)率增長(zhǎng)和消費(fèi)者盈余浪潮的到來(lái)?！?/p>

那么，大數(shù)據(jù)到底有多大？早在2012年，MBAonline網(wǎng)站曾發(fā)布一組名為“互聯(lián)網(wǎng)上一天”的數(shù)據(jù)，一天之中，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的全部?jī)?nèi)容可以刻滿1.68億張DVD；發(fā)出的郵件有2940億封之多，相當(dāng)于美國(guó)兩年的紙質(zhì)信件數(shù)量；發(fā)出的社區(qū)帖子達(dá)200萬(wàn)個(gè)，相當(dāng)于《時(shí)代》雜志770年的文字量；賣出的手機(jī)為37.8萬(wàn)部……到2012年為止，人類生產(chǎn)的所有印刷材料的數(shù)據(jù)量為200PB，全人類歷史上說(shuō)過(guò)的所有話的數(shù)據(jù)量大約是5EB。IBM公司的研究稱，到2020年，全世界所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模將達(dá)到當(dāng)時(shí)的44倍。

大數(shù)據(jù)所需的大容量，對(duì)信息存儲(chǔ)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。海量信息的存儲(chǔ)，單純地依靠現(xiàn)有的存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)顯得有些力不從心。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式如光盤、磁盤、磁帶等，大部分已經(jīng)不再是主流。

主流存儲(chǔ)器件

說(shuō)到硬盤，想必大家都不會(huì)陌生。硬盤主要分為固態(tài)硬盤（SSD）、機(jī)械硬盤（HDD）、混合硬盤（HHD）。

●機(jī)械硬盤

機(jī)械硬盤是計(jì)算機(jī)目前所采用的主流存儲(chǔ)方式。它在1956年由IBM公司制造，當(dāng)時(shí)的存儲(chǔ)容量只有5MB，體積卻相當(dāng)于兩個(gè)冰箱的大小。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不斷發(fā)展，我們目前已經(jīng)可以輕易地買到10TB容量的單盤。機(jī)械硬盤中所有的盤片都裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，盤片之間是平行的，在每個(gè)盤片的存儲(chǔ)面上有一個(gè)磁頭，磁頭與盤片之間的距離比頭發(fā)絲的直徑還小，所有的磁頭連在一個(gè)磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個(gè)磁頭的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械硬盤之所以能夠得到應(yīng)用并發(fā)展至今，與其自身的優(yōu)勢(shì)是不可分割的。與市面上其他的存儲(chǔ)介質(zhì)，如U盤和固態(tài)硬盤等相比，機(jī)械硬盤容量大、價(jià)格低、技術(shù)成熟、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、容錯(cuò)性好。但是，與后續(xù)興起的存儲(chǔ)技術(shù)相比，機(jī)械硬盤也有不可忽視的自身缺陷。它的讀寫速度相對(duì)較慢、越到介質(zhì)的邊緣讀寫速度越慢、安全性不高（碰撞后易損壞），這也是為什么帶有機(jī)械硬盤的電腦通常不建議通電搬動(dòng)的原因。

●固態(tài)硬盤

除了機(jī)械硬盤之外，固態(tài)硬盤在近些年也逐漸成為市場(chǎng)上的另一種主流的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)。它與我們?nèi)粘Ｊ褂玫腢盤一樣，都是基于浮柵結(jié)構(gòu)的Flash存儲(chǔ)器。2006年3月，三星公司首次發(fā)布一款32GB容量的固態(tài)硬盤筆記本電腦。浮柵結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件從出現(xiàn)發(fā)展至今，在結(jié)構(gòu)上基本沒(méi)有太大的變化，其最明顯的變化在于隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，器件的尺寸越來(lái)越小。目前，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器件的尺寸可以縮小至16納米以下。然而，尺寸減小也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，如相鄰單元間存在干擾、發(fā)熱量大引起器件損壞等。為了追求單位面積上更大的存儲(chǔ)容量，目前3D NAND（多層存儲(chǔ)）技術(shù)得到了大力的發(fā)展，其最大的特點(diǎn)在于多層存儲(chǔ)。2018年，三星公司首次宣布96層NAND閃存進(jìn)入量產(chǎn)階段。

固態(tài)硬盤相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的優(yōu)點(diǎn)在于：讀寫速度快、防震抗摔性強(qiáng)、低功耗、無(wú)噪聲、工作溫度范圍大、體積小、攜帶輕便。然而，它也存在容量比機(jī)械硬盤小、壽命比機(jī)械硬盤短、制造成本高、長(zhǎng)期斷電會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失且數(shù)據(jù)恢復(fù)可能性較低等缺點(diǎn)。

電阻記憶體的交叉開關(guān)矩陣（cross-bar）結(jié)構(gòu)

●混合硬盤

混合硬盤是基于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤誕生出來(lái)的新硬盤，除了機(jī)械硬盤必備的碟片、電機(jī)、磁頭等，還內(nèi)置了NAND閃存顆粒，這些顆粒將用戶經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，可以達(dá)到如固態(tài)硬盤效果的讀取性能。其中，磁盤仍是最為重要的存儲(chǔ)介質(zhì)，閃存僅起到緩沖作用，將更多的常用文件保存到閃存內(nèi)從而減小尋道時(shí)間，提升效率。

固態(tài)硬盤讀寫速度夠快，但容量小、價(jià)格貴；機(jī)械硬盤雖然讀寫速度一般，但容量大，夠便宜?；旌嫌脖P的出現(xiàn)意在平衡價(jià)格、容量及性能三者的尖銳關(guān)系?；旌嫌脖P集傳統(tǒng)硬盤和固態(tài)硬盤之所長(zhǎng)：讀寫速度快、容量大、預(yù)算合理?；旌嫌脖P技術(shù)的出現(xiàn)為用戶獲得更高設(shè)備性能、更豐富的應(yīng)用提供了一種新的方式，并且是以合理的價(jià)格實(shí)現(xiàn)它。

第三代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件

隨著傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，除了繼續(xù)提高存儲(chǔ)器件的工藝制造水平，也需要大力發(fā)展新型存儲(chǔ)技術(shù)。電阻記憶體是目前最具有研究前景的第三代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件之一。作為一項(xiàng)新興的存儲(chǔ)技術(shù)，2000年美國(guó)休斯敦大學(xué)的一個(gè)研究小組報(bào)道了電阻記憶特性之后，電阻記憶體才開始正式被人們廣泛關(guān)注，科研界和工業(yè)界開始投入大量的人力、物力來(lái)研究其特性，并進(jìn)行了一系列的專利布局。

電阻記憶體，以上電極、電阻轉(zhuǎn)變層、下電極這種三明治結(jié)構(gòu)組成的存儲(chǔ)單元為核心，再加上讀寫控制、編譯碼集成電路等部分,相比其他存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)單的工藝結(jié)構(gòu)也為其后續(xù)的發(fā)展提供了保證。工作原理上，電阻記憶體是通過(guò)寫入電壓的不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料在高電阻狀態(tài)和低電阻狀態(tài)之間的可逆切換，從而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。由于電阻記憶體的電阻變化過(guò)程中，外加的激勵(lì)只影響薄膜材料中的電子結(jié)構(gòu)或者很小區(qū)域內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)排列，因此，理論上講，電阻記憶體具有十分優(yōu)越的可縮小性。除此之外，與傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的Flash存儲(chǔ)器相比，電阻記憶體在器件結(jié)構(gòu)、速度、三維集成潛力等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如果得到應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、功耗以及存儲(chǔ)容量都將得到大幅度的提升。

電阻記憶體的應(yīng)用方向

國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(ITRS)認(rèn)為，阻變式存儲(chǔ)器（RRAM）是應(yīng)當(dāng)受到重點(diǎn)關(guān)注并加速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型存儲(chǔ)器之一。同時(shí)，電阻記憶體元件在實(shí)際的工業(yè)化進(jìn)程中也取得了很大的發(fā)展。2014年，全球最大的半導(dǎo)體儲(chǔ)存及影像產(chǎn)品制造商美光公司公布了基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的27納米、單顆容量為16GB的存儲(chǔ)器件原型，但目前距離量產(chǎn)還有很大的距離。2015年，美國(guó)Crossbar公司宣布其電阻記憶體開始進(jìn)入商業(yè)化階段，加速進(jìn)行容量更大的存儲(chǔ)器件的研究。2016年，我國(guó)規(guī)模最大的集成電路晶圓代工企業(yè)之一的中芯國(guó)際與Crossbar公司達(dá)成了關(guān)于RRAM的戰(zhàn)略合作協(xié)議，兩家企業(yè)幫助客戶將低延時(shí)、高性能、低功耗嵌入式RRAM存儲(chǔ)器組件整合入微控制單元（MCU）、系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）等器件，以滿足物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、平板電腦、消費(fèi)電子、工業(yè)及汽車電子市場(chǎng)的需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電子器件除了維持原有的功能之外，也逐漸朝著微型化和柔性化的方向發(fā)展，因此，柔性的電阻記憶體在近些年也得到了廣泛的研究。既然是柔性電阻記憶體，毫無(wú)疑問(wèn)，電子功能材料的柔性化成為很重要的一環(huán)?？梢杂脕?lái)實(shí)現(xiàn)電阻記憶體良好性能的功能材料有很多，例如，二元金屬氧化物、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（ABO3）金屬氧化物、鹵素鈣鈦礦、導(dǎo)電聚合物，等等?？紤]到柔性電阻記憶體的綜合性能，材料既要導(dǎo)電、又要絕緣，這兩種狀態(tài)的高溫穩(wěn)定性要求較高，并且材料也需要具有良好的抗機(jī)械彎曲性能，因此，二元或者鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧化物在工業(yè)應(yīng)用中更具有前景。

鈦酸鋇(BaTiO3)等鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物材料具有優(yōu)異的壓電、介電和多鐵性能，是一種工業(yè)界廣泛應(yīng)用的工業(yè)材料。研究人員在硅或者鈦酸鍶（SrTiO3）硬質(zhì)基片的基礎(chǔ)上制備了摻鈷鈦酸鋇（BaTi0.95Co0.05O3,BTCO）薄膜并證實(shí)了它們具有優(yōu)越的阻變性能。為了獲得柔性彎曲的氧化物電阻記憶體，2017年，科研人員制備了云母（Mica）/釕酸鍶（SrRuO3）/摻鈷鈦酸鋇/金結(jié)構(gòu)電阻記憶體單元。實(shí)驗(yàn)表明，制備的樣品具有優(yōu)越的綜合阻變性質(zhì)：信息讀寫次數(shù)超過(guò)36萬(wàn)次、能夠在室溫至180℃的環(huán)境下正常工作、經(jīng)過(guò)500℃退火后器件能夠恢復(fù)如初，等等。更重要的是，該記憶體具有優(yōu)越的抗彎曲性能和半透明的特征，在1.4毫米彎曲半徑下樣品能夠保持與原始平整樣品一致的阻變性質(zhì)，在3毫米半徑下彎曲1萬(wàn)次之后樣品毫發(fā)無(wú)損，存儲(chǔ)沒(méi)有明顯變化。

此外，石墨烯、硫化鉬等二維材料具有柔性彎曲、透明的特性和合適的能帶結(jié)構(gòu)，成為當(dāng)前科學(xué)研究的大熱點(diǎn)。那么，鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PbZr1-xTixO3）等目前已經(jīng)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的氧化物功能材料是否可以具有二維材料的部分特征呢？當(dāng)前我們已經(jīng)可以通過(guò)分子束外延、原子層沉積等技術(shù)在硬質(zhì)基片上制備比氧化石墨烯更薄的幾納米厚度的氧化物薄膜。在生長(zhǎng)這些氧化物超薄膜之后，如果能夠大面積、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地減薄/剝離基片，就有可能讓普通的氧化物薄膜也具有二維材料柔性彎曲、透明等屬性。雖然目前關(guān)于柔性電阻記憶體器件的工作只是剛剛起步，但可以預(yù)期很快會(huì)有更多、更好的柔性彎曲、透明的氧化物薄膜研究工作出現(xiàn)。

也正因?yàn)槿绱耍F(xiàn)在我們知道柔性電子材料或者光電子材料下一步要干什么了。